Schlauer Staub

Im Wesentlichen bestehen Batterien aus einer Kathode, einer Anode und einem dazwischenliegenden Elektrolyt. Das gilt für Hightech-Akkus genauso wie für die Zitronenbatterie aus dem Physikunterricht. Um Platz zu sparen, werden Kathode, Anode und Elektrolyt in der Regel gemeinsam mit einigen zusätzlichen Schichten übereinandergelegt und zu einem Zylinder aufgerollt. Doch die Wickelmaschinen, die für makroskopische Batterien eingesetzt werden, sind bei mikroskopischen Größenordnungen keine Option. Der Kern von Schmidts Arbeit ist deshalb die Entwicklung einer neuen Technik, die das Aufrollen auch auf winzig kleinen Skalen ermöglicht. Dazu scheiden die Forscher die Schichten zunächst eine nach der anderen auf einer Siliziumoberfläche ab. Dabei verspannen sich die Schichten derartig gegeneinander, dass sie sich beim Ablösen von der Oberfläche von selbst zu einem Zylinder aufwickeln. „Das funktioniert so ähnlich wie bei einer Silvestertröte“, sagt Schmidt. Es ist dafür also keine Wickelmaschine nötig.

Bisher haben die Forscher nur die Batterie selbst hergestellt. Da sie aber mit den gängigen Technologien der Chipindustrie arbeiten, sollte es in Zukunft möglich sein, elektronische Schaltungen direkt in das Siliziumsubstrat zu integrieren. Somit ließe sich die Batterie direkt auf einem funktionalen Computerchip aufbauen. „Das ist eigentlich eine relativ einfache Technologie“, sagt Schmidt. Für eine leistungsstarke Batterie brauche man allerdings sehr viele Wicklungen, um eine möglichst hohe Energiedichte zu erreichen. Leider wickeln sich die Schichten aber noch nicht exakt gerade auf – ein Problem, das jeder kennt, der schon mal abgerolltes Toilettenpapier zurück auf die Rolle wickeln wollte. „Das ist noch eine Herausforderung für die Zukunft“, sagt Schmidt. „Bisher sind nur wenige Wicklungen möglich. Um 100 oder 200 Wicklungen hinzubekommen und richtig leistungsstarke Batterien in dieser Größe zu bauen, muss der Prozess noch weiter optimiert werden.“

Vielseitige Transistoren sparen Platz

Die Technologie für die Miniaturisierung von Computern wie dem Michigan Micro Mote basiert vor allem auf dem sogenannten 3D-Stacking. Dabei werden einzelne Chips wie bei einem Sandwich übereinandergestapelt, um Platz zu sparen. Bei der Herstellung von Speicherelementen, die aus vielen identischen Schichten aufgebaut sind, ist diese Methode schon länger etabliert. Doch für miniaturisierte Computersysteme müssen unterschiedliche Chips miteinander kombiniert werden, was wesentlich schwieriger ist. „Dass man das so klein bauen kann, ist schon bemerkenswert“, sagt Masiar Sistani vom Institut für Festkörperelektronik der Technischen Universität Wien. In der Forschungsgruppe für „Emerging Nanoelectronic Devices“ von Walter Weber verfolgt Sistani allerdings einen ganz anderen Ansatz. Er konzentriert sich darauf, die elementaren Schaltelemente von Computerchips, die Transistoren, mit zusätzlichen Funktionen auszustatten. Das soll dazu führen, dass die Schaltungen auf den Chips weniger Fläche einnehmen.

Die durch das Moorsche Gesetz beschriebene Explosion der Rechenleistung in den vergangenen Jahrzehnten geht auf eine ständige Miniaturisierung der aus Silizium gefertigten Schaltkreise zurück. Doch schon bald werden die Transistoren nur noch wenige Atome groß sein und sich nicht mehr weiter verkleinern lassen. „Wir gehen deshalb einen Schritt zurück und machen wieder größere Transistoren, die dafür aber intelligenter sind“, sagt Sistani. In üblichen elektronischen Geräten wie PCs und Smartphones kommen aktuell zwei unterschiedliche Arten von Schaltern zum Einsatz, in denen sich entweder negative oder positive Ladungen durch das Material bewegen. Gemeinsam mit seinen Kollegen hat Sistani Ende letzten Jahres dagegen einen Transistor vorgestellt, der beides kann. Selbst während ein Computerprogramm läuft, wäre es möglich, ihn von dem einen Betriebsmodus in den anderen umzuschalten, um ihn verschiedene Rechenoperationen ausführen zu lassen. „So wollen wir intelligentere Computer bauen, die sich von selbst optimal auf das Problem einstellen, das sie gerade zu lösen haben“, sagt Sistani. Durch diese gesteigerte Anpassungsfähigkeit lässt sich die Zahl der Transistoren, die für eine Schaltung benötigt werden, deutlich reduzieren. Das spart nicht nur Platz, sondern steigert auch die Geschwindigkeit und verbessert die Energieeffizienz.

Allgegenwärtiges Rechnen

Computertechnik prägt inzwischen auch abseits von PC und Smartphone zunehmend den Alltag: Wer ein modernes Auto fährt, bedient im Grunde einen Computer. Sogenannte Wearables wie Smartwatches oder Fitnessarmbänder sind vollgestopft mit digitalen Sensoren, und sogar in vielen modernen Kopfhörern arbeiten Mikroprozessoren, um den Klang zu verbessern oder Umgebungsgeräusche zu unterdrücken. Der Trend geht also klar in Richtung allgegenwärtiger Computer, die unseren Alltag immer weiter durchdringen.

„Je kleiner und robuster so ein Gerät ist, desto eher kann es in Gebrauchsgegenstände integriert oder dauerhaft getragen werden“, sagt Michael Beigl, der am Karlsruher Institut für Technologie den Lehrstuhl für Pervasive Computing Systems innehat. Das größte Potenzial sieht der Experte dabei im Bereich der Gesundheit. Mit seinem Team arbeitet Beigl unter anderem an smarten In-Ear-Kopfhörern, die beim Tragen etwa die Körpertemperatur des Trägers überwachen. Wenn im Körper gesundheitliche Probleme entstehen, kann das System Alarm schlagen und so möglicherweise ein Fortschreiten der Erkrankung verhindern. „Da viele Menschen diese Geräte ohnehin tragen, ist das Ohr ein guter Platz, um medizinische Parameter abzugreifen“, sagt Beigl. „Außerdem sind die Prozessoren, die in die Kopfhörer integriert sind, schon jetzt ziemlich mächtig.“ Das erlaube es, einen großen Teil der gesammelten Daten bereits direkt im Kopfhörer zu verarbeiten, bevor sie beispielsweise an das Mobiltelefon übertragen werden.

Während Kopfhörer genug Platz bieten, um sie mit herkömmlichen Mikroprozessoren zu bestücken, könnten Smart-Dust-Systeme in Zukunft noch weitere Anwendungsbereiche erschließen. „Submillimeter-Computer ließen sich zum Beispiel leichter in Textilien integrieren“, sagt Beigl. So könnten Sensoren etwa erkennen, wenn ein älterer Mensch stürzt, und einen Notruf absetzen. Bisher werden dafür meistens spezielle Armbänder eingesetzt. „Doch die werden oft schlecht angenommen“, meint Beigl. „Sind die Sensoren dagegen Teil der Kleidung, müssen sie nicht extra angelegt werden.“ In der Sportwissenschaft dienen in Textilien integrierte Sensoren bereits zur Erkennung und Analyse von Körperbewegungen. Das erlaubt es, Bewegungsparameter sehr exakt aufzuzeichnen und damit die Abläufe zu optimieren. Ähnliche Systeme könnten künftig auch im Alltag Bewegungen und Körperdaten wie Blutdruck, Puls oder Temperatur analysieren, um frühzeitig Veränderungen zu erkennen, die langfristig zu gesundheitlichen Problemen führen könnten.

Computer, die einst monströs und unhandlich waren, werden so immer mehr zu allgegenwärtigen Helfern und Begleitern, die sich schon in einigen Jahren nahezu unsichtbar in unsere Leben integrieren könnten.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…